强对偶性、弱对偶性以及KKT条件的证明（对偶问题的几何证明）[通俗易懂]

1.原问题

首先给出问题的一般形式：

上式表明我们一共有M N个约束条件，对于不是求最小值或者约束条件大于等于0的情况，我们添加一个负号就可以变成上面这种形式。上述问题我们一般称之为带约束的原问题。

利用拉格朗日乘子法，我们构造一个新的函数以及约束条件如下：

其中：

我们称上面的问题为无约束的原问题（对x不再有约束）。上述L是拉格朗日乘子法的基本形式，这个就不再证明。

2.对偶问题

对于无约束的原问题，我们先直接给出它的对偶问题形式（其实就是简单交换min和max）：

上述问题我们称之为原问题的对偶问题。

2.1弱对偶性的一般证明

所谓弱对偶性，指的是：

在再谈SVM（hard-margin和soft-margin详细推导、KKT条件、核技巧）中，我们大致口头证明了弱对偶性的成立，即“凤尾”>=“鸡头”。何谓“凤尾”？我先选出最强的一批人( max ⁡ f max f maxf)，然后组成实验班，实验班倒数第一就是 min ⁡ max ⁡ f min max f min maxf；何谓“鸡头”？我先选出最弱的一批人( min ⁡ f min f minf)，然后在这批比较弱的人当中选出最强的那个人，也即是 max ⁡ min ⁡ f max min f max minf，那么“鸡头”与“凤尾”孰强孰弱，是显而易见的。现在我们利用数学推导来大致证明一下弱对偶性。对于 L ( x , λ , η ) L(x,lambda,eta) L(x,λ,η)这个函数，我们知道下面这个不等式一定成立：

上面这个不等式很好理解，中间 L ( x , λ , η ) L(x,lambda,eta) L(x,λ,η)我们可以理解为L的值域，值域里面的任何一个数，必然是大于等于它的最小值，小于等于它的最大值。其实这一步已经证明出弱对偶性了，不过为了更容易理解，我们可以进一步说明。上述不等式最左边的表达式最后是关于 λ , η lambda,eta λ,η的一个函数，而最右边是一个关于 x x x的函数，因此我们又令：

因此我们有：

证毕。

2.2弱对偶性的几何证明

为了使问题简化，同时方便证明，我们去掉原问题中等式的约束条件，同时不等式约束条件只保留一个，即原问题变成：

那么拉格朗日函数就变成：

我们又令：

即 p ∗ p^* p∗是原问题的最优解， d ∗ d^* d∗是对偶问题的最优解。证明弱对偶性实际上就是证明 d ∗ ≤ p ∗ d^*leq p^* d∗≤p∗。我们令区域G的表达形式为：

D是原问题的定义域，G表示一个个点的集合，点的横坐标是约束条件 u = m 1 ( x ) u=m_{1}(x) u=m1(x)，纵坐标是原函数 t = f ( x ) t=f(x) t=f(x)。有了上述集合G的定义之后，我们就可以对 p ∗ , d ∗ p^*,d^* p∗,d∗进行变式。首先对 p ∗ p^* p∗进行变式：

因为 t = f ( x ) t=f(x) t=f(x)，所以 p ∗ p^* p∗实际上就是t的最小值，反映到集合G中去就是指一个点的纵坐标，这个点要满足两个条件：一是肯定要在G中，二是 m 1 ( x ) ≤ 0 m_{1}(x)leq0 m1(x)≤0也就是该点的横坐标小于等于0。如下图所示：

我们对 u ≤ 0 uleq0 u≤0那部分，也就是图中阴影部分上的每个点，找到一个最低的点，它的纵坐标就是 p ∗ p^* p∗。接着对 d ∗ d^* d∗进行变形：

上述 t λ u t lambda u t λu的来源为：

对变形后 d ∗ d^* d∗我们令：

我们先找到 g ( λ ) g(lambda) g(λ)在图中的位置：我们知道 t λ u t lambda u t λu实际上也是一个值，我们不妨令 t λ u = k t lambda u=k t λu=k，该式表示一条斜率为 − λ -lambda −λ并过(0,k)的直线，我们要找的是 t λ u t lambda u t λu的最小值，实际上就是k的最小值，实际上就是该直线与纵轴交点的最小值。而在求 min ⁡ x t λ u min limits_{x} t lambda u xmin t λu的最小值时， λ lambda λ是固定的，因此斜率 − λ -lambda −λ也是固定的：

我们保持斜率不变移动直线，不断往上移动，则该直线与纵轴交点的纵坐标k也不断增大，因为限制条件还有一个就是 ( u , t ) ∈ G (u,t)in G (u,t)∈G，因此该直线必须经过区域G，我们一直往上移动，直到直线第一次与G相交，记下相应的k值为 k 1 k_{1} k1，再继续往上也都满足条件，知道该直线与G不再相交，但是现在我们求得是最小值，那么最小值其实就是 k 1 k_{1} k1，即 g ( λ ) g(lambda) g(λ)就等于 k 1 k_{1} k1。进一步，我们要求：

这里要重点注意：上一步我们求得了 g ( λ ) g(lambda) g(λ)就等于 k 1 k_{1} k1，但是这种情况只是一种情况，在上一步求 g ( λ ) g(lambda) g(λ)时，我们假若改变斜率 − λ -lambda −λ，那么 k 1 k_{1} k1的值是会变的，如下所示：

我们换一个 λ lambda λ固定时， g ( λ ) g(lambda) g(λ)也就是 k 1 k_{1} k1自然也就在变。第二步要干的其实就是让我们求这个 g ( λ ) g(lambda) g(λ)的最大值。那什么时候是最大的？实际上就是以G的最低点为轴，我们旋转直线，直到与左上方最低点相交时， g ( λ ) g(lambda) g(λ)是最大的。如下所示：

可能很多人就有疑问了：我为什么不可以让斜率继续增大？让直线穿过G？这里有疑问的同学不妨回忆一下第一个步骤：

我们在确定 g ( λ ) g(lambda) g(λ)的时候，第一次相切我们就停止了，而后改变斜率继续相切：如上图所示，假如你继续增大斜率，那么该直线就不跟G的最低点相切了。我们是先推第一步再推第二步，而推第二步的时候肯定必须满足第一步的条件，所以 d ∗ d^* d∗只能是在那个位置。

从上图也可以看出来： d ∗ ≤ p ∗ d^*leq p^* d∗≤p∗，也就是对偶问题的解是小于等于原问题的解的，也即是说满足弱对偶性。因此这里我们进一步证明了弱对偶性。

2.3强对偶性的几何表示以及条件

什么是强对偶性？就是指原问题的解与对偶问题的解是相同的，也即是： d ∗ = p ∗ d^*=p^* d∗=p∗。画个图：

假设G是一个凸集，那么根据上面找 d ∗ d^* d∗和 p ∗ p^* p∗的思路，我们很容易知道这个时候二者是相等的，也就是满足强对偶关系。那上面这句话的意思就是说：只要是凸集就一定满足强对偶关系。这句话不是正确的，不是所有的凸集都满足强对偶关系，但是加上slater条件就一定满足。

2.4 slater condition

先直接给出slater条件的定义：对于x的定义域D，如果它存在一个内点（不是边界上的点） x ∗ x^* x∗满足对任意的 m i ( x ) < 0 , i = 1 , 2 , . . . , M m_{i}(x)lt0,i=1,2,…,M mi(x)<0,i=1,2,...,M，则说明该问题满足slater条件。对slater条件做两点说明：

对于大多数的凸优化问题来说，slater condition都是成立的
放松的slater条件：如果约束函数 m i ( x ) , i = 1 , 2 , . . . , M m_{i}(x),i=1,2,…,M mi(x),i=1,2,...,M中有K个是仿射函数，则我们只需要那M-K个约束函数满足第一个条件，我们也说该问题满足slater条件。
什么是仿射函数？仿射函数，即最高次数为1的多项式函数。常数项为零的仿射函数称为线性函数。简单来说，就是比较简单的函数。

对第一个条件进一步说明：为什么我们要满足这个条件？第一个条件放在G中的意思就是：G在u<0部分必须有点存在：